Biocompatibilidad, osteoconducción, osteoinducción en biomateriales de regeneración ósea: ¿Cuáles son los matices?

Abril / April 15, 2016

Biocompatibilidad, osteoconducción, osteoinducción en biomateriales de regeneración ósea: ¿Cuáles son los matices?

Biocompatibilidad

El hecho más singular que distingue un biomaterial de cualquier otro material es la capacidad de existir en contacto con tejidos del cuerpo humano sin causar un grado de daño intolerable a este mismo. La biocompatibilidad ha sido tradicionalmente contemplada para productos implantables cuyo objetivo era permanecer en el cuerpo huésped durante un tiempo extenso. El paradigma de los biomateriales biocompatibles se definía en los orígenes de la ciencia de los biomateriales, como la capacidad de evitar una serie de eventos biológicos no deseados. Por lo tanto durante las décadas 1940 hasta 1980 se seleccionaban los biomateriales por su inercia química.

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Imagen de células cultivadas in vitro sobre un biomaterial (izquierda). Imagen de un corte histológico de un biomaterial implantado en músculo de rata adulta (derecha).

Este paradigma ha evolucionado drásticamente en las ultimas 4 décadas redefiniendo el concepto de biocompatibilidad y la selección desarrollo y evaluación de los biomateriales.

Evolución del concepto de biocompatibilidad

Tres conceptos principales llevaron a redefinir una primera vez el concepto de biocompatibilidad.
    1. Empezó a ponerse de manifiesto que un mismo biomaterial podía originar distintas respuestas según el sitio de implantación, por lo que se evidenció la necesidad de evaluar la biocompatibilidad de un biomaterial para una indicación dada.
    2. Una serie de aplicaciones de los biomateriales requerían que el biomaterial tuviera una interacción clara con el tejido del huésped en vez de mantener un status quo.
    3. Otras aplicaciones necesitaban que el material fuera degradable y absorbible en otros términos reabsorbible en vez de permanecer ad vitam æternam.
Lo que llevó a esta definición en 1987:
“Biocompatibility refers to the ability of a material to perform with an appropriate host response in a specific situation”.

Desde entonces la biocompatibilidad es un concepto que ha ido cambiando con las evoluciones de la ciencia de los biomateriales y de la ingeniería de tejidos hasta encontrar una definición que se adapta al contexto (biomateriales de larga implantación, biomateriales reabsorbibles, matrices y andamios para la ingeniería de tejidos). David Williams ha establecido una definición más genérica en 2008: “Biocompatibility refers to the ability of a biomaterial to perform its desired function with respect to a medical therapy, without eliciting any undesirable local or systemic effects in the recipient or beneficiary of that therapy, but generating the most appropriate beneficial cellular or tissue response in that specific situation, and optimising the clinically relevant performance of that therapy.”

¿Cómo se sabe si un biomaterial es biocompatible o no?

La biocompatibilidad se determina gracias a la evaluación de la interacción del biomaterial con el organismo. Esto conlleva conducir experimentos escalados de manera secuenciada que permiten comprobar que la respuesta biológica a distintos niveles no es intolerable. A nivel regulatorio existe un estándar que establece el marco de estos experimentos: la norma ISO 10993. Se suele proceder por ensayos in vitro, in vivo y clínicos en este orden. Estos ensayos implican la evaluación de las siguientes respuestas biológicas:
  • Adsorción de proteínas
  • Respuesta inmune
  • Respuesta microvascular
  • Respuesta mutagénica, genotoxicidad
  • Toxicidad reproductiva
  • Respuesta celular especifica

 

  • Efectos citotóxicos generalizados
  • Respuesta del sistema fibrótico
  • Activación de la coagulación
  • Hipersensibilidad/anafilaxis
  • Formación tumoral

     

    ¿Qué parámetros afectan la biocompatibilidad?

    Los parámetros que afectan la biocompatibilidad de un biomaterial son de naturaleza diversa y es la razón por la cual la ciencia de los biomateriales requiere de conocimientos procedentes de especialidades variadas. Una lista no exhaustiva comprende las siguientes propiedades:
        • Química del biomaterial
        • Propiedades físicas del biomaterial
        • Propiedades estructurales
        • Propiedades interfaciales

    El control de estos parámetros permite el diseño de unos biomateriales para aplicaciones diversas cumpliendo con la función y aplicación deseada. La ciencia de los biomateriales ha conocido unos progresos importantes que han permitido controlar estas propiedades hasta el punto de poder imitar ciertos tejidos del cuerpo, es el caso del tejido óseo que Mimetis con su producto MimetikOss ha logrado replicar.

    Osteoconducción

    La osteoconducción es la capacidad que tiene un biomaterial de guiar el crecimiento, bien sea en su superficie (biomateriales densos) o en su volumen (biomateriales porosos). En el caso de la regeneración ósea, se busca un crecimiento en el volumen del biomaterial injertado y por lo tanto son ideales los biomateriales con porosidad abierta.Esta capacidad depende de varios factores que establecen la afinidad entre su superficie y las proteínas y las células responsables de la formación del nuevo tejido óseo. La superficie tiene que poder acoger los osteoblastos, células constructoras del tejido óseo, y permitir su proliferación. Asimismo, es importante que el biomaterial presente una porosidad macroscópica interconectada con entradas superiores a los 150 µm para permitir la vascularización necesaria al aporte de nutrientes y oxígeno en el interior del injerto.
    Injerto biomimético MimetikOss

    Injerto óseo en forma de gránulos (gris) incluido en tejido óseo neoformado (verde), corte histológico teñido con tinción tricrómica de Masson y observado por microscopia óptica.

    Es esencial para los biomateriales de regeneración ósea ya que es la condición sine qua non para que el biomaterial se osteointegre. Sin esta propiedad básica no se consigue ningún resultado clínico ya que el biomaterial resultaría incluido en una matriz de tejido blando.

    Osteoinducción y regeneración ósea

    Se dice de una sustancia o biomaterial que es osteoinductivo cuando presenta la facultad de formar tejido óseo ectópicamente, es decir, en un sitio anatómico donde no existe naturalmente (i.d. subcutis, músculo, tejido adiposo…). Las sustancias o materiales osteoinductivos son capaces de estimular los procesos de regeneración ósea.

    Vía exógena

    Desde el descubrimiento de las propiedades de estimulación del crecimiento óseo por parte de proteínas de la familia del TGF-β1 por Urist et al. en 1965, empezó una carrera hacia soluciones que permitirían acelerar, estimular o simplemente permitir la regeneración ósea en casos comprometidos. Esto llevó a la aparición en el mercado de productos conteniendo proteínas morfogenéticas del hueso (BMPs, factores de crecimiento). Las proteínas morfogenéticas del hueso poseen un efecto muy marcado sobre los procesos de regeneración ósea e incluso pueden conducir a la afectación de los tejidos circundantes.

    Las BMPs son producidas mediante procesos de bioingeniería por células transfectadas con la secuencia ADN correspondiente a la proteína deseada. Por lo tanto son proteínas exógenas que obedecen a regulaciones drásticas por parte de las autoridades sanitarias.

    Estudios recientes han puesto de manifiesto las dificultades enlazadas con el control de las cantidades de BMPs liberadas por los productos comerciales que las contienen. Otros estudios cuestionan la preservación de la eficacia de las BMPs. Sin embargo los factores de crecimiento siguen siendo considerados como la única alternativa osteoinductiva por muchos cirujanos.

    Estructura de la proteína BMP-2, miembro de  la superfamilia TGF--β1

    Y si un biomaterial pudiera ser osteoestimulador de por sí?

    Las reservas expresadas recientemente a la atención de las BMPs han conducido a los investigadores a explorar otras vías de estimulación de la regeneración ósea.  Una de las estrategias privilegiadas consiste en el empleo de biomateriales imitando la estructura y composición del tejido óseo creando un micro-entorno favorable para la regeneración ósea subsecuentemente estimulando las células óseas e inmunes para la secreción de BMPs endógenas (del mismo cuerpo), evitando los efectos adversos provocados por BMPs exógenas. Esto nuevos biomateriales biomiméticos permiten estimular los procesos naturales de regeneración ósea sin provocar reacciones incontroladas por parte del cuerpo huésped.

    Los factores claves de los biomateriales osteoestimuladores

    Durante la última década unos grupos de investigación dedicados a la regeneración ósea han enfocado sus esfuerzos en encontrar los mecanismos responsables de la osteoestimulación por parte de biomateriales. También se dedicaron a investigar las propiedades claves de los biomateriales que inducen la producción de tejido óseo en sitios ectópicos (fuera del hueso). Las propiedades destacadas indican que las características de estos biomateriales tienden a ser muy cercanas en forma, composición y estructura al tejido óseo y en particular, a su fase mineral.

    Fuentes

    • Williams D.F. (1987) Definitions in biomaterials. Elsevier
    • Williams D.F. (2008), On the mechanisms of biocompatibility, Biomaterials, vol. 29, no. 20, July, 2941-2953
    • Alberktson T. et al. (2001), Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration, European Spine Journal, Volume 10, pp S96-S101
    • Urist, M.R. (1965) “Bone formation by autoinduction”, Science 150, 893–899
    • Wozney, J.M. et al. (1988) “Novel regulators of bone formation: molecular clones and activities”, Science 242, 1528–1534
    • Wozney, J.M. (1992) “The bone morphogenetic protein family and osteogenesis”, Mol. Dev. 32, 160–167
    • Bragdon B. et al (2011) “Bone morphogenetic proteins: a critical review” Signal., vol. 23, no. 4, pp. 609–20
    • Luyten F. et al (2011) “Probing the Osteoinductive Effect of Calcium Phosphate by Using an In Vitro Biomimetic Model” Tissue Eng. Part A, vol. 17, no. 7–8, pp. 1083–1097
    • Habibovic P. et al (2013), “The homing of bone marrow MSCs to non-osseous sites for ectopic bone formation induced by osteoinductive calcium phosphate” Biomaterials, vol. 34, no. 9, pp. 2167–76

       




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      Long-term follow-up study of osseointegrated implants in the treatment of totally edentulous jaws.Adell R, Eriksson B, Lekholm U, Brånemark Pl, Jemt T. Int J Oral Maxillofac Implants 1990 Winter;5(4):347-59. PMID: 2094653

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